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Cours d’Électronique :Les semi-conducteurs et la diode
A. ArciniegasN. Wilkie-Chancellier
A. Bouzzit
IUT Cergy-Pontoise, Dep GEII, site de Neuville
cbea
(CYU) Électronique - S1 1 / 22
Plan du cours
1 Physique des semi-conducteurs
2 La théorie de la diode
3 Un premier circuit à diode
4 Quelques diodes particulières
(CYU) Électronique - S1 2 / 22
Physique des semi-conducteurs
Physique des semi-conducteurs
(CYU) Électronique - S1 3 / 22
La matière
Tableau périodique des éléments
Un élément chimique, communément appelé atome, est constitué de 3 types de partic-ules élémentaires qui lui confèrent ses propriétés :
physiques, le noyau (protons et neutrons) ≈ 99 % de la masse des atomes
chimiques, le nuage électronique ou "orbites d’électrons" ≈ 99 % du volume desatomes
Dans le tableau périodique, les éléments sont classés par valeur croissante de nombre deprotons (Z, numéro atomique).
(CYU) Électronique - S1 4 / 22
La matière
Tableau périodique des éléments
Un élément chimique, communément appelé atome, est constitué de 3 types de partic-ules élémentaires qui lui confèrent ses propriétés :
physiques, le noyau (protons et neutrons) ≈ 99 % de la masse des atomes
chimiques, le nuage électronique ou "orbites d’électrons" ≈ 99 % du volume desatomes
Dans le tableau périodique, les éléments sont classés par valeur croissante de nombre deprotons (Z, numéro atomique).
(CYU) Électronique - S1 4 / 22
La matière
Tableau périodique des éléments
Un élément chimique, communément appelé atome, est constitué de 3 types de partic-ules élémentaires qui lui confèrent ses propriétés :
physiques, le noyau (protons et neutrons) ≈ 99 % de la masse des atomes
chimiques, le nuage électronique ou "orbites d’électrons" ≈ 99 % du volume desatomes
Dans le tableau périodique, les éléments sont classés par valeur croissante de nombre deprotons (Z, numéro atomique).
(CYU) Électronique - S1 4 / 22
La matière
Tableau périodique des éléments
Un élément chimique, communément appelé atome, est constitué de 3 types de partic-ules élémentaires qui lui confèrent ses propriétés :
physiques, le noyau (protons et neutrons) ≈ 99 % de la masse des atomes
chimiques, le nuage électronique ou "orbites d’électrons" ≈ 99 % du volume desatomes
Dans le tableau périodique, les éléments sont classés par valeur croissante de nombre deprotons (Z, numéro atomique).
(CYU) Électronique - S1 4 / 22
Les conducteurs
Tableau périodique des éléments chimiques
Le block "d" (bleu), correspond aux métaux de transition ; certains éléments comme l’ar-gent, le cuivre, ou l’or, ont une répartition du nuage électronique pour laquelle un électronmobile est en périphérie (bande de valence).
Conducteur : matériau pour lequel une force extérieure due à une différence de potentielpeut très facilement arracher l’électron mobile en périphérie (électron de valence) lorsquel’attraction entre celui-ci et le reste de l’atome est très faible. Les meilleurs conducteursont un électron de valence.
(CYU) Électronique - S1 5 / 22
Les conducteurs
Tableau périodique des éléments chimiques
Le block "d" (bleu), correspond aux métaux de transition ; certains éléments comme l’ar-gent, le cuivre, ou l’or, ont une répartition du nuage électronique pour laquelle un électronmobile est en périphérie (bande de valence).
Conducteur : matériau pour lequel une force extérieure due à une différence de potentielpeut très facilement arracher l’électron mobile en périphérie (électron de valence) lorsquel’attraction entre celui-ci et le reste de l’atome est très faible. Les meilleurs conducteursont un électron de valence.
(CYU) Électronique - S1 5 / 22
Les semi-conducteurs
Tableau périodique des éléments chimiques
Isolant : matériau pour lequel une force extérieure due à une différence de potentiel peuttrès difficilement arracher les électrons de valence (les meilleurs en ont huit).
Semi-conducteur : matériau dont les propriétés électriques sont à mi-chemin entre les con-ducteurs et les isolants. Les meilleurs semi-conducteurs ont quatre électrons de valence(cas du germanium et du silicium).
(CYU) Électronique - S1 6 / 22
Les semi-conducteurs
Tableau périodique des éléments chimiques
Isolant : matériau pour lequel une force extérieure due à une différence de potentiel peuttrès difficilement arracher les électrons de valence (les meilleurs en ont huit).
Semi-conducteur : matériau dont les propriétés électriques sont à mi-chemin entre les con-ducteurs et les isolants. Les meilleurs semi-conducteurs ont quatre électrons de valence(cas du germanium et du silicium).
(CYU) Électronique - S1 6 / 22
Le cristal de silicium
Représentation de l’atome de silicium selonle modèle de Bohr (d’après A. Malvino).
Atomes dans un cristal et liaisons covalentes(d’après A. Malvino).
(CYU) Électronique - S1 7 / 22
Le cristal de silicium
Des électrons et des trous (d’après A. Malvino).
L’agitation thermique entraîne la création des paires électrons libres-trous.
Les électrons libres et les trous se recombinent.
(CYU) Électronique - S1 7 / 22
Le cristal de silicium
Des électrons et des trous (d’après A. Malvino).
L’agitation thermique entraîne la création des paires électrons libres-trous.
Les électrons libres et les trous se recombinent.
(CYU) Électronique - S1 7 / 22
Les semi-conducteurs intrinsèques et les porteurs de charge
Semi-conducteur intrinsèque = semi-conducteur pur.
Un cristal de silicium (Si) est intrinsèque si tous les atomes qui le composent sont desatomes de Si.
À température ambiante, un cristal de Si se comporte comme un isolant car il y a peud’électrons libres et de trous créés par l’agitation thermique.
Déplacement des électrons libres et des trous(d’après A. Malvino).
Flux de porteurs (d’après A. Malvino).
Par la suite, on conçoit le courant dans un semi-conducteur comme la somme de deuxflux : celui des électrons dans un sens et celui des trous dans l’autre sens.
On appelle souvent porteurs de charge les électrons libres et les trous, car ils transportentune charge d’un endroit à un autre.
(CYU) Électronique - S1 8 / 22
Les semi-conducteurs intrinsèques et les porteurs de charge
Semi-conducteur intrinsèque = semi-conducteur pur.Un cristal de silicium (Si) est intrinsèque si tous les atomes qui le composent sont desatomes de Si.
À température ambiante, un cristal de Si se comporte comme un isolant car il y a peud’électrons libres et de trous créés par l’agitation thermique.
Déplacement des électrons libres et des trous(d’après A. Malvino).
Flux de porteurs (d’après A. Malvino).
Par la suite, on conçoit le courant dans un semi-conducteur comme la somme de deuxflux : celui des électrons dans un sens et celui des trous dans l’autre sens.
On appelle souvent porteurs de charge les électrons libres et les trous, car ils transportentune charge d’un endroit à un autre.
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Les semi-conducteurs intrinsèques et les porteurs de charge
Semi-conducteur intrinsèque = semi-conducteur pur.Un cristal de silicium (Si) est intrinsèque si tous les atomes qui le composent sont desatomes de Si.
À température ambiante, un cristal de Si se comporte comme un isolant car il y a peud’électrons libres et de trous créés par l’agitation thermique.
Déplacement des électrons libres et des trous(d’après A. Malvino).
Flux de porteurs (d’après A. Malvino).
Par la suite, on conçoit le courant dans un semi-conducteur comme la somme de deuxflux : celui des électrons dans un sens et celui des trous dans l’autre sens.
On appelle souvent porteurs de charge les électrons libres et les trous, car ils transportentune charge d’un endroit à un autre.
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Les semi-conducteurs intrinsèques et les porteurs de charge
Semi-conducteur intrinsèque = semi-conducteur pur.Un cristal de silicium (Si) est intrinsèque si tous les atomes qui le composent sont desatomes de Si.
À température ambiante, un cristal de Si se comporte comme un isolant car il y a peud’électrons libres et de trous créés par l’agitation thermique.
Déplacement des électrons libres et des trous(d’après A. Malvino).
Flux de porteurs (d’après A. Malvino).
Par la suite, on conçoit le courant dans un semi-conducteur comme la somme de deuxflux : celui des électrons dans un sens et celui des trous dans l’autre sens.
On appelle souvent porteurs de charge les électrons libres et les trous, car ils transportentune charge d’un endroit à un autre.
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Les semi-conducteurs intrinsèques et les porteurs de charge
Semi-conducteur intrinsèque = semi-conducteur pur.Un cristal de silicium (Si) est intrinsèque si tous les atomes qui le composent sont desatomes de Si.
À température ambiante, un cristal de Si se comporte comme un isolant car il y a peud’électrons libres et de trous créés par l’agitation thermique.
Déplacement des électrons libres et des trous(d’après A. Malvino).
Flux de porteurs (d’après A. Malvino).
Par la suite, on conçoit le courant dans un semi-conducteur comme la somme de deuxflux : celui des électrons dans un sens et celui des trous dans l’autre sens.
On appelle souvent porteurs de charge les électrons libres et les trous, car ils transportentune charge d’un endroit à un autre.
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Semi-conducteurs "dopés"
Dopage : est une méthode permettantd’augmenter la conductivité d’un semi-conducteur. Cela consiste à introduire desimpuretés dans un cristal intrinsèque pourmodifier ses propriétés électriques. On parlede semi-conducteur dopé ou extrinsèque.
Pour augmenter,le nombre d’électrons libres : ajout desatomes pentavalents (p.e. arsenic ouphosphore) ;
le nombre de trous : ajout des atomestrivalents (p.e. aluminium ou gallium).
Dopage d’un semi-conducteur(d’après A. Malvino).
Les deux types de semi-conducteurs
semi-conducteur de type N = Si + atomes pentavalents = excès d’électrons libres
semi-conducteur de type P = Si + atomes trivalents = excès de trous
(CYU) Électronique - S1 9 / 22
Semi-conducteurs "dopés"
Dopage : est une méthode permettantd’augmenter la conductivité d’un semi-conducteur. Cela consiste à introduire desimpuretés dans un cristal intrinsèque pourmodifier ses propriétés électriques. On parlede semi-conducteur dopé ou extrinsèque.
Pour augmenter,le nombre d’électrons libres : ajout desatomes pentavalents (p.e. arsenic ouphosphore) ;
le nombre de trous : ajout des atomestrivalents (p.e. aluminium ou gallium).
Dopage d’un semi-conducteur(d’après A. Malvino).
Les deux types de semi-conducteurs
semi-conducteur de type N = Si + atomes pentavalents = excès d’électrons libres
semi-conducteur de type P = Si + atomes trivalents = excès de trous
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Semi-conducteurs "dopés"
Dopage : est une méthode permettantd’augmenter la conductivité d’un semi-conducteur. Cela consiste à introduire desimpuretés dans un cristal intrinsèque pourmodifier ses propriétés électriques. On parlede semi-conducteur dopé ou extrinsèque.
Pour augmenter,le nombre d’électrons libres : ajout desatomes pentavalents (p.e. arsenic ouphosphore) ;
le nombre de trous : ajout des atomestrivalents (p.e. aluminium ou gallium).
Dopage d’un semi-conducteur(d’après A. Malvino).
Les deux types de semi-conducteurs
semi-conducteur de type N = Si + atomes pentavalents = excès d’électrons libres
semi-conducteur de type P = Si + atomes trivalents = excès de trous
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Semi-conducteurs "dopés"
Dopage : est une méthode permettantd’augmenter la conductivité d’un semi-conducteur. Cela consiste à introduire desimpuretés dans un cristal intrinsèque pourmodifier ses propriétés électriques. On parlede semi-conducteur dopé ou extrinsèque.
Pour augmenter,le nombre d’électrons libres : ajout desatomes pentavalents (p.e. arsenic ouphosphore) ;
le nombre de trous : ajout des atomestrivalents (p.e. aluminium ou gallium).
Dopage d’un semi-conducteur(d’après A. Malvino).
Les deux types de semi-conducteurs
semi-conducteur de type N = Si + atomes pentavalents = excès d’électrons libres
semi-conducteur de type P = Si + atomes trivalents = excès de trous
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Semi-conducteurs "dopés"
Dopage : est une méthode permettantd’augmenter la conductivité d’un semi-conducteur. Cela consiste à introduire desimpuretés dans un cristal intrinsèque pourmodifier ses propriétés électriques. On parlede semi-conducteur dopé ou extrinsèque.
Pour augmenter,le nombre d’électrons libres : ajout desatomes pentavalents (p.e. arsenic ouphosphore) ;
le nombre de trous : ajout des atomestrivalents (p.e. aluminium ou gallium).
Dopage d’un semi-conducteur(d’après A. Malvino).
Les deux types de semi-conducteurs
semi-conducteur de type N = Si + atomes pentavalents = excès d’électrons libres
semi-conducteur de type P = Si + atomes trivalents = excès de trous
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La jonction PN (1/3) : diode
Diode = deux électrodes
Deux types de semi-conducteurs(d’après A. Malvino).
La jonction PN (d’après A. Malvino).
Que se passe-t-il lorsque on fabrique un cristal unique avec un côté P et un côté N ?
On crée une diode à jonction, la jonction étant la frontière où le type P voisine le type N.
(CYU) Électronique - S1 10 / 22
La jonction PN (1/3) : diode
Diode = deux électrodes
Deux types de semi-conducteurs(d’après A. Malvino).
La jonction PN (d’après A. Malvino).
Que se passe-t-il lorsque on fabrique un cristal unique avec un côté P et un côté N ?
On crée une diode à jonction, la jonction étant la frontière où le type P voisine le type N.
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La jonction PN (2/3) : zone de déplétion et barrière de potentiel
Création des ions et la zone de déplétion (d’après A. Malvino).
À cause de leur répulsion les uns envers les autres, les électrons libres du côté N ont tendance à diffuser(se disperser) dans toutes les directions, y compris autour de la jonction.
(CYU) Électronique - S1 11 / 22
La jonction PN (2/3) : zone de déplétion et barrière de potentiel
Création des ions et la zone de déplétion (d’après A. Malvino).
À cause de leur répulsion les uns envers les autres, les électrons libres du côté N ont tendance à diffuser(se disperser) dans toutes les directions, y compris autour de la jonction.
Quelques-uns traversent la jonction et entrent dans la région P : ceci entraîne la disparition d’un trou etun électron libre devient un électron de valence.
(CYU) Électronique - S1 11 / 22
La jonction PN (2/3) : zone de déplétion et barrière de potentiel
Création des ions et la zone de déplétion (d’après A. Malvino).
Chaque fois qu’un électron diffuse à travers la jonction, il crée une paire d’ions ; la neutralité électriquedu cristal disparaît dans cette région de l’espace (zone de déplétion) où les électrons libres commen-cent à subir une force qui a tendance à s’opposer à leur diffusion (phénomène de jonction).
(CYU) Électronique - S1 11 / 22
La jonction PN (2/3) : zone de déplétion et barrière de potentiel
Création des ions et la zone de déplétion (d’après A. Malvino).
Chaque fois qu’un électron diffuse à travers la jonction, il crée une paire d’ions ; la neutralité électriquedu cristal disparaît dans cette région de l’espace (zone de déplétion) où les électrons libres commen-cent à subir une force qui a tendance à s’opposer à leur diffusion (phénomène de jonction).
Barrière de potentielLa diffusion des électrons à travers la jonction s’arrête jusqu’à ce qu’un certain équilibre soit atteint : il en résulte unedifférence de potentiel appelée barrière de potentiel.
À 25 °C, elle vaut :
0,3 V pour le germanium,
0,7 V pour le silicium.
(CYU) Électronique - S1 11 / 22
La jonction PN (2/3) : zone de déplétion et barrière de potentiel
Création des ions et la zone de déplétion (d’après A. Malvino).
Chaque fois qu’un électron diffuse à travers la jonction, il crée une paire d’ions ; la neutralité électriquedu cristal disparaît dans cette région de l’espace (zone de déplétion) où les électrons libres commen-cent à subir une force qui a tendance à s’opposer à leur diffusion (phénomène de jonction).
Barrière de potentielLa diffusion des électrons à travers la jonction s’arrête jusqu’à ce qu’un certain équilibre soit atteint : il en résulte unedifférence de potentiel appelée barrière de potentiel.
À 25 °C, elle vaut :
0,3 V pour le germanium,
0,7 V pour le silicium.
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La jonction PN (3/3) : polarisation directe et inverse
Polarisation directeLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Net la borne positive sur le côté P.
Si la tension de la source est supérieure à la barrière de potentiel, les électrons libres ont une énergiesuffisante pour traverser la zone de déplétion et aller se recombiner avec les trous du côté P.
Polarisation inverseLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Pet la borne positive sur le côté N.
Divers phénomènes ont lieu :
Élargissement de la zone de déplétion
Apparition d’un courant de saturation
Apparition d’un courant de fuite superficiel
Tension de claquageLimite de la tension inverse (souvent > 50 V) qu’une diode peut supporter avant d’être détruite enraison de l’augmentation disproportionnée de porteurs minoritaires (phénomène d’avalanche).
(CYU) Électronique - S1 12 / 22
La jonction PN (3/3) : polarisation directe et inverse
Polarisation directeLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Net la borne positive sur le côté P.
Si la tension de la source est supérieure à la barrière de potentiel, les électrons libres ont une énergiesuffisante pour traverser la zone de déplétion et aller se recombiner avec les trous du côté P.
Polarisation inverseLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Pet la borne positive sur le côté N.
Divers phénomènes ont lieu :
Élargissement de la zone de déplétion
Apparition d’un courant de saturation
Apparition d’un courant de fuite superficiel
Tension de claquageLimite de la tension inverse (souvent > 50 V) qu’une diode peut supporter avant d’être détruite enraison de l’augmentation disproportionnée de porteurs minoritaires (phénomène d’avalanche).
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La jonction PN (3/3) : polarisation directe et inverse
Polarisation directeLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Net la borne positive sur le côté P.
Si la tension de la source est supérieure à la barrière de potentiel, les électrons libres ont une énergiesuffisante pour traverser la zone de déplétion et aller se recombiner avec les trous du côté P.
Polarisation inverseLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Pet la borne positive sur le côté N.
Divers phénomènes ont lieu :
Élargissement de la zone de déplétion
Apparition d’un courant de saturation
Apparition d’un courant de fuite superficiel
Tension de claquageLimite de la tension inverse (souvent > 50 V) qu’une diode peut supporter avant d’être détruite enraison de l’augmentation disproportionnée de porteurs minoritaires (phénomène d’avalanche).
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La jonction PN (3/3) : polarisation directe et inverse
Polarisation directeLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Net la borne positive sur le côté P.
Si la tension de la source est supérieure à la barrière de potentiel, les électrons libres ont une énergiesuffisante pour traverser la zone de déplétion et aller se recombiner avec les trous du côté P.
Polarisation inverseLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Pet la borne positive sur le côté N.
Divers phénomènes ont lieu :
Élargissement de la zone de déplétion
Apparition d’un courant de saturation
Apparition d’un courant de fuite superficiel
Tension de claquageLimite de la tension inverse (souvent > 50 V) qu’une diode peut supporter avant d’être détruite enraison de l’augmentation disproportionnée de porteurs minoritaires (phénomène d’avalanche).
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La jonction PN (3/3) : polarisation directe et inverse
Polarisation directeLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Net la borne positive sur le côté P.
Si la tension de la source est supérieure à la barrière de potentiel, les électrons libres ont une énergiesuffisante pour traverser la zone de déplétion et aller se recombiner avec les trous du côté P.
Polarisation inverseLorsqu’on applique une source de tension continue sur la diode avec la borne négative sur le côté Pet la borne positive sur le côté N.
Divers phénomènes ont lieu :
Élargissement de la zone de déplétion
Apparition d’un courant de saturation
Apparition d’un courant de fuite superficiel
Tension de claquageLimite de la tension inverse (souvent > 50 V) qu’une diode peut supporter avant d’être détruite enraison de l’augmentation disproportionnée de porteurs minoritaires (phénomène d’avalanche).
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La théorie de la diode
La théorie de la diode
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Modèle électrique général de la diode à jonction PN
La diode est un composantnon-linéaire :
Équation de Shockley :
iD = IS.(
exp(
uD
n.VT
)− 1
)
DKA iD
uD
IS : Courant de saturation inverse
pA 6 IS 6 nAExemple: 1N4148, IS ' 25 nApour uD = −20 V
VT : Tension thermique
VT =kTe− ' 26 mV à T = 300 K
n : facteur de qualité, 1 6 n 6 2Idéalement, n = 1.
Diode bloquée Diode passante
uD [V]
iD [A]
0
iD ' −IS iD > 0
VF
Polarisation inverse uD < 0 Polarisation directe uD > 0
VBR
(CYU) Électronique - S1 14 / 22
Modèle électrique général de la diode à jonction PN
La diode est un composantnon-linéaire :
Équation de Shockley :
iD = IS.(
exp(
uD
n.VT
)− 1
)
DKA iD
uD
IS : Courant de saturation inverse
pA 6 IS 6 nAExemple: 1N4148, IS ' 25 nApour uD = −20 V
VT : Tension thermique
VT =kTe− ' 26 mV à T = 300 K
n : facteur de qualité, 1 6 n 6 2Idéalement, n = 1.
Diode bloquée Diode passante
uD [V]
iD [A]
0
iD ' −IS iD > 0
VF
Polarisation inverse uD < 0 Polarisation directe uD > 0
VBR
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Modèle électrique général de la diode à jonction PN
La diode est un composantnon-linéaire :
Équation de Shockley :
iD = IS.(
exp(
uD
n.VT
)− 1
)
DKA iD
uD
uD < 0 : polarisation inverse
Diode "bloquée"iD ' −IS (Courant de fuite,idéalement → 0)
Claquage inverse :tension inversion maximale VBRphénomène d’avalancheirréversiblecourant inverse très élevédestruction de la diode
Exemple : 1N4148,VBR 6 −100 V
Diode bloquée Diode passante
uD [V]
iD [A]
0
iD ' −IS iD > 0
VF
Polarisation inverse uD < 0
Polarisation directe uD > 0
VBR
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Modèle électrique général de la diode à jonction PN
La diode est un composantnon-linéaire :
Équation de Shockley :
iD = IS.(
exp(
uD
n.VT
)− 1
)
DKA iD
uD
uD < 0 : polarisation inverse
Diode "bloquée"
iD ' −IS (Courant de fuite,idéalement → 0)
Claquage inverse :tension inversion maximale VBRphénomène d’avalancheirréversiblecourant inverse très élevédestruction de la diode
Exemple : 1N4148,VBR 6 −100 V
Diode bloquée
Diode passante
uD [V]
iD [A]
0
iD ' −IS iD > 0
VF
Polarisation inverse uD < 0
Polarisation directe uD > 0
VBR
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Modèle électrique général de la diode à jonction PN
La diode est un composantnon-linéaire :
Équation de Shockley :
iD = IS.(
exp(
uD
n.VT
)− 1
)
DKA iD
uD
uD < 0 : polarisation inverse
Diode "bloquée"iD ' −IS (Courant de fuite,idéalement → 0)
Claquage inverse :tension inversion maximale VBRphénomène d’avalancheirréversiblecourant inverse très élevédestruction de la diode
Exemple : 1N4148,VBR 6 −100 V
Diode bloquée
Diode passante
uD [V]
iD [A]
0
iD ' −IS
iD > 0
VF
Polarisation inverse uD < 0
Polarisation directe uD > 0
VBR
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Modèle électrique général de la diode à jonction PN
La diode est un composantnon-linéaire :
Équation de Shockley :
iD = IS.(
exp(
uD
n.VT
)− 1
)
DKA iD
uD
uD < 0 : polarisation inverse
Diode "bloquée"iD ' −IS (Courant de fuite,idéalement → 0)
Claquage inverse :tension inversion maximale VBRphénomène d’avalancheirréversiblecourant inverse très élevédestruction de la diode
Exemple : 1N4148,VBR 6 −100 V
Diode bloquée
Diode passante
uD [V]
iD [A]
0
iD ' −IS
iD > 0
VF
Polarisation inverse uD < 0
Polarisation directe uD > 0
VBR
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Modèle électrique général de la diode à jonction PN
La diode est un composantnon-linéaire :
Équation de Shockley :
iD = IS.(
exp(
uD
n.VT
)− 1
)
DKA iD
uD
uD >>> 0 : polarisation directe, iD > 0
uD < VF (seuil) :diode "bloquée"(Courant très faible à négligeable)
uD > VF :diode "passante"(Courant iD > 0)
Valeurs typiques de seuils:Diodes au silicium :VF ' 0,7 VDiodes au germanium :VF ' 0,3 V(moins utilisée car autresdéfauts)
Diode bloquée
Diode passante
uD [V]
iD [A]
0
iD ' −IS iD > 0
VF
Polarisation inverse uD < 0 Polarisation directe uD > 0
VBR
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Modèle électrique général de la diode à jonction PN
La diode est un composantnon-linéaire :
Équation de Shockley :
iD = IS.(
exp(
uD
n.VT
)− 1
)
DKA iD
uD
uD >>> 0 : polarisation directe, iD > 0
uD < VF (seuil) :diode "bloquée"(Courant très faible à négligeable)
uD > VF :diode "passante"(Courant iD > 0)
Valeurs typiques de seuils:Diodes au silicium :VF ' 0,7 VDiodes au germanium :VF ' 0,3 V(moins utilisée car autresdéfauts)
Diode bloquée
Diode passante
uD [V]
iD [A]
0
iD ' −IS iD > 0
VF
Polarisation inverse uD < 0 Polarisation directe uD > 0
VBR
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Modèle électrique général de la diode à jonction PN
La diode est un composantnon-linéaire :
Équation de Shockley :
iD = IS.(
exp(
uD
n.VT
)− 1
)
DKA iD
uD
uD >>> 0 : polarisation directe, iD > 0
uD < VF (seuil) :diode "bloquée"(Courant très faible à négligeable)
uD > VF :diode "passante"(Courant iD > 0)
Valeurs typiques de seuils:Diodes au silicium :VF ' 0,7 VDiodes au germanium :VF ' 0,3 V(moins utilisée car autresdéfauts)
Diode bloquée Diode passante
uD [V]
iD [A]
0
iD ' −IS iD > 0
VF
Polarisation inverse uD < 0 Polarisation directe uD > 0
VBR
(CYU) Électronique - S1 14 / 22
Modèles électriques simplifiés de la diode à jonction PN (1/2)
DKA iD
uD
Seuil de diode + résistance:Simplification et linéarisation dela caractéristique complèteDéfinition du seuil de diode
uD < VF : diode bloquéeID → 0Circuit ouvert
uD >>> VF : diode passanteID > 0Circuit "fermé"Résistance dynamiqueRD =
∆uD∆iD
∣∣∣uD>VF
uD [V]
iD [A]
0 VF
iD → 0
uD
RDiD > 0
VF
Diode bloquée Diode passante
(CYU) Électronique - S1 15 / 22
Modèles électriques simplifiés de la diode à jonction PN (1/2)
DKA iD
uD
Seuil de diode + résistance:Simplification et linéarisation dela caractéristique complèteDéfinition du seuil de diode
uD < VF : diode bloquéeID → 0Circuit ouvert
uD >>> VF : diode passanteID > 0Circuit "fermé"Résistance dynamiqueRD =
∆uD∆iD
∣∣∣uD>VF
uD [V]
iD [A]
0 VF
iD → 0
uD
RDiD > 0
VF
Diode bloquée
Diode passante
(CYU) Électronique - S1 15 / 22
Modèles électriques simplifiés de la diode à jonction PN (1/2)
DKA iD
uD
Seuil de diode + résistance:Simplification et linéarisation dela caractéristique complèteDéfinition du seuil de diode
uD < VF : diode bloquéeID → 0Circuit ouvert
uD >>> VF : diode passanteID > 0Circuit "fermé"Résistance dynamiqueRD =
∆uD∆iD
∣∣∣uD>VF
uD [V]
iD [A]
0 VF
iD → 0
uD
RDiD > 0
VF
Diode bloquée Diode passante
(CYU) Électronique - S1 15 / 22
Modèles électriques simplifiées de la diode à jonction PN (2/2)
Simplifications / linéarisations de la caractéristique complète en polarisation directe3 caractéristiques simplifiées — dépendent de l’utilisation
Seuil de diode +résistance
uD [V]
iD [A]
0 VF
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
ID → 0
uD >>> VF :diode passante
ID > 0Résistance dynamique
RD =∆uD∆iD
∣∣∣∣uD>VF
Seuil de diode
uD [V]
iD [A]
0 VF
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
uD = VF :diode passante
uD → constante
Seuil nul
uD [V]
iD [A]
0
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
uD = 0 :diode passante
uD → constante nulle
(CYU) Électronique - S1 16 / 22
Modèles électriques simplifiées de la diode à jonction PN (2/2)
Simplifications / linéarisations de la caractéristique complète en polarisation directe3 caractéristiques simplifiées — dépendent de l’utilisation
Seuil de diode +résistance
uD [V]
iD [A]
0 VF
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
ID → 0
uD >>> VF :diode passante
ID > 0Résistance dynamique
RD =∆uD∆iD
∣∣∣∣uD>VF
Seuil de diode
uD [V]
iD [A]
0 VF
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
uD = VF :diode passante
uD → constante
Seuil nul
uD [V]
iD [A]
0
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
uD = 0 :diode passante
uD → constante nulle
(CYU) Électronique - S1 16 / 22
Modèles électriques simplifiées de la diode à jonction PN (2/2)
Simplifications / linéarisations de la caractéristique complète en polarisation directe3 caractéristiques simplifiées — dépendent de l’utilisation
Seuil de diode +résistance
uD [V]
iD [A]
0 VF
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
ID → 0
uD >>> VF :diode passante
ID > 0Résistance dynamique
RD =∆uD∆iD
∣∣∣∣uD>VF
Seuil de diode
uD [V]
iD [A]
0 VF
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
uD = VF :diode passante
uD → constante
Seuil nul
uD [V]
iD [A]
0
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
uD = 0 :diode passante
uD → constante nulle
(CYU) Électronique - S1 16 / 22
Modèles électriques simplifiées de la diode à jonction PN (2/2)
Simplifications / linéarisations de la caractéristique complète en polarisation directe3 caractéristiques simplifiées — dépendent de l’utilisation
Seuil de diode +résistance
uD [V]
iD [A]
0 VF
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
ID → 0
uD >>> VF :diode passante
ID > 0Résistance dynamique
RD =∆uD∆iD
∣∣∣∣uD>VF
Seuil de diode
uD [V]
iD [A]
0 VF
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
uD = VF :diode passante
uD → constante
Seuil nul
uD [V]
iD [A]
0
Diode bloquéeID = 0
Diode passante
ID > 0
uD < 0 :diode bloquée
uD = 0 :diode passante
uD → constante nulle
(CYU) Électronique - S1 16 / 22
Un premier circuit à diode
Un premier circuit à diode
(CYU) Électronique - S1 17 / 22
La droite de charge (1/2)
On s’intéresse tout d’abord à un montage simple réalisé par un circuit diode-résistance.La tension UE est une tension continue.
UE
D
UD
ID
R UR
A K
(CYU) Électronique - S1 18 / 22
La droite de charge (1/2)
On s’intéresse tout d’abord à un montage simple réalisé par un circuit diode-résistance.La tension UE est une tension continue.
UE
D
UD
ID
R UR
A K
Méthode
L’étude des tensions UD et UR ou du courant ID nécessite de remplacer la diode parun schéma équivalent.
Nous remplaçons à priori la diode par son schéma équivalent de diode passante(source de tension et résistance en série).
Si l’étude montre que le courant circule dans la diode (de l’anode vers la cathode),donc ID > 0, et le choix fait à priori est conservé.
Le cas échéant, l’étude du circuit est effectuée en remplaçant la diode par sonschéma équivalent de diode bloquée.
(CYU) Électronique - S1 18 / 22
La droite de charge (1/2)
On s’intéresse tout d’abord à un montage simple réalisé par un circuit diode-résistance.La tension UE est une tension continue.
UE
D
UD
ID
R UR
A K
Méthode
L’étude des tensions UD et UR ou du courant ID nécessite de remplacer la diode parun schéma équivalent.
Nous remplaçons à priori la diode par son schéma équivalent de diode passante(source de tension et résistance en série).
Si l’étude montre que le courant circule dans la diode (de l’anode vers la cathode),donc ID > 0, et le choix fait à priori est conservé.
Le cas échéant, l’étude du circuit est effectuée en remplaçant la diode par sonschéma équivalent de diode bloquée.
(CYU) Électronique - S1 18 / 22
La droite de charge (1/2)
On s’intéresse tout d’abord à un montage simple réalisé par un circuit diode-résistance.La tension UE est une tension continue.
UE
D
UD
ID
R UR
A K
Méthode
L’étude des tensions UD et UR ou du courant ID nécessite de remplacer la diode parun schéma équivalent.
Nous remplaçons à priori la diode par son schéma équivalent de diode passante(source de tension et résistance en série).
Si l’étude montre que le courant circule dans la diode (de l’anode vers la cathode),donc ID > 0, et le choix fait à priori est conservé.
Le cas échéant, l’étude du circuit est effectuée en remplaçant la diode par sonschéma équivalent de diode bloquée.
(CYU) Électronique - S1 18 / 22
La droite de charge (1/2)
On s’intéresse tout d’abord à un montage simple réalisé par un circuit diode-résistance.La tension UE est une tension continue.
UE
D
UD
ID
R UR
A K
Méthode
L’étude des tensions UD et UR ou du courant ID nécessite de remplacer la diode parun schéma équivalent.
Nous remplaçons à priori la diode par son schéma équivalent de diode passante(source de tension et résistance en série).
Si l’étude montre que le courant circule dans la diode (de l’anode vers la cathode),donc ID > 0, et le choix fait à priori est conservé.
Le cas échéant, l’étude du circuit est effectuée en remplaçant la diode par sonschéma équivalent de diode bloquée.
(CYU) Électronique - S1 18 / 22
La droite de charge (1/2)
On s’intéresse tout d’abord à un montage simple réalisé par un circuit diode-résistance.La tension UE est une tension continue.
UE
VF
IDRD
R UR
A K
À partir du pont diviseur de tension,
UR =(UE − VF )
RD + RR
d’où la condition pour que la diode soit passante : UE − VF > 0 ou UE > VF . Ainsi onobtient :
ID = (UE−VF )RD+R
UD = VF + (UE−VF )RD+R RD
(CYU) Électronique - S1 18 / 22
La droite de charge (1/2)
On s’intéresse tout d’abord à un montage simple réalisé par un circuit diode-résistance.La tension UE est une tension continue.
UE
VF
IDRD
R UR
A K
À partir du pont diviseur de tension,
UR =(UE − VF )
RD + RR
d’où la condition pour que la diode soit passante : UE − VF > 0 ou UE > VF .
Ainsi onobtient :
ID = (UE−VF )RD+R
UD = VF + (UE−VF )RD+R RD
(CYU) Électronique - S1 18 / 22
La droite de charge (1/2)
On s’intéresse tout d’abord à un montage simple réalisé par un circuit diode-résistance.La tension UE est une tension continue.
UE
VF
IDRD
R UR
A K
À partir du pont diviseur de tension,
UR =(UE − VF )
RD + RR
d’où la condition pour que la diode soit passante : UE − VF > 0 ou UE > VF . Ainsi onobtient :
ID = (UE−VF )RD+R
UD = VF + (UE−VF )RD+R RD
(CYU) Électronique - S1 18 / 22
La droite de charge (1/2)
En revanche si on a UE < VF , alors le schéma équivalent devient :
UE R UR
A K
On obtient :ID = 0
UD = UE
UR = 0
(CYU) Électronique - S1 18 / 22
La droite de charge (2/2)
Cette étude calculatoire nous permet de connaître le point de fonctionnement Q de ladiode, noté (UD0, ID0).
D’après l’étude précédente, l’équation de la droite de charge est obtenue à partir de :UD = UE − RID , avec UD = UE si ID = 0 (blocage)
ID = UE−UDR , avec ID = UE
R si UD = 0 (saturation)
Le point Q est ainsi situé sur la caractéristique ID = f (UD) de la diode :
La droite de charge
(CYU) Électronique - S1 19 / 22
La droite de charge (2/2)
Cette étude calculatoire nous permet de connaître le point de fonctionnement Q de ladiode, noté (UD0, ID0).
D’après l’étude précédente, l’équation de la droite de charge est obtenue à partir de :UD = UE − RID , avec UD = UE si ID = 0 (blocage)
ID = UE−UDR , avec ID = UE
R si UD = 0 (saturation)
Le point Q est ainsi situé sur la caractéristique ID = f (UD) de la diode :
La droite de charge
(CYU) Électronique - S1 19 / 22
La droite de charge (2/2)
Cette étude calculatoire nous permet de connaître le point de fonctionnement Q de ladiode, noté (UD0, ID0).
D’après l’étude précédente, l’équation de la droite de charge est obtenue à partir de :UD = UE − RID , avec UD = UE si ID = 0 (blocage)
ID = UE−UDR , avec ID = UE
R si UD = 0 (saturation)
Le point Q est ainsi situé sur la caractéristique ID = f (UD) de la diode :
La droite de charge
(CYU) Électronique - S1 19 / 22
Quelques diodes particulières
Quelques diodes particulières
(CYU) Électronique - S1 20 / 22
La diode Zener
KA IZ
UD
UD [V]
ID [A]
0
VZ
CaractéristiquesC’est une diode au silicium que le constructeur a optimisée pour opérer dans la zone de claquage.
Dans cette zone :
Elle présente un coude de tension inverse très net, suivi d’une croissance presque verticaledu courant.
La tension est presque constante, approximativement égale à VZ.
UtilisationRégulation de tension connectée en dérivation (régulateur shunt) car elle permet d’obtenir une tensioncontinue fixe inférieure à celle donnée par une alimentation.
Application : alimentation stabilisée et protection contre les surtensions.
(CYU) Électronique - S1 21 / 22
La diode Zener
KA IZ
UD
UD [V]
ID [A]
0
VZ
CaractéristiquesC’est une diode au silicium que le constructeur a optimisée pour opérer dans la zone de claquage.
Dans cette zone :
Elle présente un coude de tension inverse très net, suivi d’une croissance presque verticaledu courant.
La tension est presque constante, approximativement égale à VZ.
UtilisationRégulation de tension connectée en dérivation (régulateur shunt) car elle permet d’obtenir une tensioncontinue fixe inférieure à celle donnée par une alimentation.
Application : alimentation stabilisée et protection contre les surtensions.
(CYU) Électronique - S1 21 / 22
La diode Zener
KA IZ
UD
UD [V]
ID [A]
0
VZ
CaractéristiquesC’est une diode au silicium que le constructeur a optimisée pour opérer dans la zone de claquage.
Dans cette zone :
Elle présente un coude de tension inverse très net, suivi d’une croissance presque verticaledu courant.
La tension est presque constante, approximativement égale à VZ.
UtilisationRégulation de tension connectée en dérivation (régulateur shunt) car elle permet d’obtenir une tensioncontinue fixe inférieure à celle donnée par une alimentation.
Application : alimentation stabilisée et protection contre les surtensions.
(CYU) Électronique - S1 21 / 22
La diode Zener
KA IZ
UD
UD [V]
ID [A]
0
VZ
CaractéristiquesC’est une diode au silicium que le constructeur a optimisée pour opérer dans la zone de claquage.
Dans cette zone :
Elle présente un coude de tension inverse très net, suivi d’une croissance presque verticaledu courant.
La tension est presque constante, approximativement égale à VZ.
UtilisationRégulation de tension connectée en dérivation (régulateur shunt) car elle permet d’obtenir une tensioncontinue fixe inférieure à celle donnée par une alimentation.
Application : alimentation stabilisée et protection contre les surtensions.
(CYU) Électronique - S1 21 / 22
La diode Zener
KA IZ
UD
UD [V]
ID [A]
0
VZ
CaractéristiquesC’est une diode au silicium que le constructeur a optimisée pour opérer dans la zone de claquage.
Dans cette zone :
Elle présente un coude de tension inverse très net, suivi d’une croissance presque verticaledu courant.
La tension est presque constante, approximativement égale à VZ.
UtilisationRégulation de tension connectée en dérivation (régulateur shunt) car elle permet d’obtenir une tensioncontinue fixe inférieure à celle donnée par une alimentation.
Application : alimentation stabilisée et protection contre les surtensions.
(CYU) Électronique - S1 21 / 22
La diode Zener
KA IZ
UD
UD [V]
ID [A]
0
VZ
CaractéristiquesC’est une diode au silicium que le constructeur a optimisée pour opérer dans la zone de claquage.
Dans cette zone :
Elle présente un coude de tension inverse très net, suivi d’une croissance presque verticaledu courant.
La tension est presque constante, approximativement égale à VZ.
UtilisationRégulation de tension connectée en dérivation (régulateur shunt) car elle permet d’obtenir une tensioncontinue fixe inférieure à celle donnée par une alimentation.
Application : alimentation stabilisée et protection contre les surtensions.
(CYU) Électronique - S1 21 / 22
La diode Zener
KA IZ
UD
UD [V]
ID [A]
0
VZ
CaractéristiquesC’est une diode au silicium que le constructeur a optimisée pour opérer dans la zone de claquage.
Dans cette zone :
Elle présente un coude de tension inverse très net, suivi d’une croissance presque verticaledu courant.
La tension est presque constante, approximativement égale à VZ.
UtilisationRégulation de tension connectée en dérivation (régulateur shunt) car elle permet d’obtenir une tensioncontinue fixe inférieure à celle donnée par une alimentation.
Application : alimentation stabilisée et protection contre les surtensions.
(CYU) Électronique - S1 21 / 22
Les diodes électroluminescentes (LED)
KA ID
UD
CaractéristiquesComme une diode ordinaire, mais lorsqu’elle est passante, l’énergie est rayonnée sous forme de lu-mière (l’effet est appelé électroluminescence).
La couleur rayonnée dépend des matériaux semi-conducteurs utilisés dans la fabrication.
Pour les LED faible puissance les valeurs typiques : UD ≈ 2 V et ID ≈ 20 mA.
UtilisationPrincipalement le remplacement de lampes incandescentes car elles ont :
une consommation énergétique plus basse
une plus petite taille
une plus longue durée de vie
Applications : éclairage (ampoules), affichage électronique (écrans TV et autre), source de lumièrequasi-monochromatique (fibres optiques, télécommandes, instrumentation scientifique et industrielle)...
(CYU) Électronique - S1 22 / 22
Les diodes électroluminescentes (LED)
KA ID
UD
CaractéristiquesComme une diode ordinaire, mais lorsqu’elle est passante, l’énergie est rayonnée sous forme de lu-mière (l’effet est appelé électroluminescence).
La couleur rayonnée dépend des matériaux semi-conducteurs utilisés dans la fabrication.
Pour les LED faible puissance les valeurs typiques : UD ≈ 2 V et ID ≈ 20 mA.
UtilisationPrincipalement le remplacement de lampes incandescentes car elles ont :
une consommation énergétique plus basse
une plus petite taille
une plus longue durée de vie
Applications : éclairage (ampoules), affichage électronique (écrans TV et autre), source de lumièrequasi-monochromatique (fibres optiques, télécommandes, instrumentation scientifique et industrielle)...
(CYU) Électronique - S1 22 / 22
Les diodes électroluminescentes (LED)
KA ID
UD
CaractéristiquesComme une diode ordinaire, mais lorsqu’elle est passante, l’énergie est rayonnée sous forme de lu-mière (l’effet est appelé électroluminescence).
La couleur rayonnée dépend des matériaux semi-conducteurs utilisés dans la fabrication.
Pour les LED faible puissance les valeurs typiques : UD ≈ 2 V et ID ≈ 20 mA.
UtilisationPrincipalement le remplacement de lampes incandescentes car elles ont :
une consommation énergétique plus basse
une plus petite taille
une plus longue durée de vie
Applications : éclairage (ampoules), affichage électronique (écrans TV et autre), source de lumièrequasi-monochromatique (fibres optiques, télécommandes, instrumentation scientifique et industrielle)...
(CYU) Électronique - S1 22 / 22
Les diodes électroluminescentes (LED)
KA ID
UD
CaractéristiquesComme une diode ordinaire, mais lorsqu’elle est passante, l’énergie est rayonnée sous forme de lu-mière (l’effet est appelé électroluminescence).
La couleur rayonnée dépend des matériaux semi-conducteurs utilisés dans la fabrication.
Pour les LED faible puissance les valeurs typiques : UD ≈ 2 V et ID ≈ 20 mA.
UtilisationPrincipalement le remplacement de lampes incandescentes car elles ont :
une consommation énergétique plus basse
une plus petite taille
une plus longue durée de vie
Applications : éclairage (ampoules), affichage électronique (écrans TV et autre), source de lumièrequasi-monochromatique (fibres optiques, télécommandes, instrumentation scientifique et industrielle)...
(CYU) Électronique - S1 22 / 22
